三维编织制作外飘带

    如果将冬奥火炬外飘带比作“钢筋混凝土”，那么碳纤维是“钢筋”，树脂则是“混凝土”。上海石化与中核集团核八所共同攻关，引入高性能树脂，与碳纤维一起做出了碳纤维复合材料。

    往届奥运会的火炬外壳燃烧段一般采用金属制作，例如钢、铝合金等，但此次首次使用碳纤维复合材料制作的火炬外壳，不仅造型美观、手感舒适，而且与金属材质相比，重量减轻了30%左右，兼具轻、固、美的优点。

    科技亮点

    ●树脂“加盟”破解耐高温难题

    火炬的火从内部燃烧而出，一般的复合材料都经受不住高温的考验，一到500摄氏度就烧没了。碳纤维复合材料本身强度高、热膨胀系数小，但耐温一般不超过250摄氏度，因此最大的问题在于如何做到保证火炬耐燃烧且表面不开裂、起泡。

    攻关团队通过工艺调整，将火炬上半段燃烧端在1000摄氏度以上高温中进行陶瓷化，有效解决了在高温制备过程中火炬外壳起泡、开裂等难题，达到了既能够耐高温又能够耐火的要求，实现了火炬在燃烧温度高于800摄氏度的氢气燃烧环境下正常使用。

    ●分段制作兼具实用美观

    冬奥会火炬外飘带有“中部大两头小”特点，根据火炬外飘带耐燃烧及脱模的需求，攻关团队将火炬分为两段——上段燃烧段和下段普通段。上段采用陶瓷基复合材料，耐高温性能优异，可满足火炬在燃烧环境中使用；下段采用树脂基复合材料，力学强度高，可满足火炬的整体使用强度。上下段采用胶接的方式，形成火炬整体外飘带预制件。

    为稳定控制外飘带上端尺寸，攻关团队采用了缠绕定性的方法制备出胚体，再进行数控机床加工得到火炬上端造型，最后用浸渍及陶瓷化工艺对胚体进行增密。在陶瓷化期间，他们采用三维坐标扫描测试和石墨工装定型的方法，解决了材料在成型过程中收缩变形的问题，得到了与设计尺寸一致、稳定的上端制件。

    外飘带下端采用RTM工艺制备树脂基复合材料。攻关团队通过优化模具结构设计及成型工艺参数，使树脂在模腔内充分浸润，获得了表面光洁度好、尺寸精度高的外壳下端样件。

    ●高温银漆喷涂满足燃烧需求

    陶瓷化材料孔隙率高，不利于喷漆。攻关团队通过反复浸渍工艺，获得了高密度的预制件；通过对预制件表面精磨、采用抛及连接封孔技术等措施，获得了高质量的表面；采用薄喷高温银漆的方式，解决了燃烧过程中表面易开裂、凸起、起泡等问题，满足了高温燃烧需求。

    ●三维编织让造型更为飘逸

    为实现“飞扬”火炬旋转上升的造型，攻关团队几经周折，慕名找到东华大学三维编织团队。200多锭碳纤维从经向、纬向、法向3个维度像编织羊毛衫一样，成功塑造出如丝带飘舞的优美造型，而且织成的火炬外壳浑然一体，看不出丝毫接缝与孔隙。

    ●引入自动化设备确保图案清晰、颜色一致

    外飘带制作的最后一步是镭雕、自动喷漆等工序。

    在激光加工前，火炬外飘带的外表面只有一层银色涂层，还需喷涂一层底漆、中间银漆、渐变色漆，这就要求激光雕刻的深度必须控制在稳定范围内。若加工深度过大，在露出基底的图案处，后喷的几道漆总厚度可能无法完全遮住基底，会形成缺陷；若加工深度过小，涂层的厚度可能会填满图案区域，将造成图案不清晰、不完整，甚至无法辨识。攻关团队根据外飘带表面的不规则变化，通过制定特殊的镭雕机器程序，实现了镭雕深度的有效控制。

    此外，自动喷漆技术的使用，减少了人工干预，有效保证了火炬整体外观颜色的一致性和稳定性。

    ●深化设计体现人性化思考

    在完成外飘带制作的基础上，攻关团队进一步深化设计，从使用者的舒适感、便利性等方面考虑，采用旋转拔插的方式连接内外飘带，并在外飘带内侧增加卡扣，以固定内飘带位置。同时，为体现残奥精神，他们还采用CNC工艺在残奥火炬底部雕刻了盲文，让“飞扬”更增添了人性化的关怀与尊重。

    知识科普

    RTM技术：树脂传递模塑（RTM）成型工艺是一种环保高效、成本低、高精度的闭模成型工艺。RTM的工艺过程是在一定温度压力下，低黏度树脂、固化剂及催化剂的树脂体系通过注射设备注入已放置好增强纤维预制体的闭合模具中，经过树脂的流动使纤维增强材料完全浸透，固化后脱模可得到先进树脂基复合材料。

    三维编织技术：使用球面三环编织机，采用特殊的控制方式及增纱与减纱工艺来实现不同截面、不同壁厚的织物编织。在编织过程中，要对纱线上的张力进行实时检测与调控，结合所设计的锭子特定运动方式，达到厚度、截面大小不同的碳纤维预制体稳定高效编织的目的。

    镭雕技术：也被称为激光雕刻，是一种基于数控技术和热效应、以激光为媒介的冷加工技术。

    自动喷涂技术：采用机器人自动喷漆的方法，主要包括自动除尘、机器人自动喷涂、烘干等工序。